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        基于錄井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算地層漏失壓力的方法

        2020-04-17 07:29:04方俊偉楊涪杰賈曉斌鄧明毅
        錄井工程 2020年1期
        關(guān)鍵詞:錄井導(dǎo)流鉆井液

        方俊偉 楊涪杰 賈曉斌 鄧明毅

        (①中石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院;②中國石化縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;③西南石油大學(xué))

        0 引 言

        井漏是鉆井施工中的重大技術(shù)難題,鉆遇裂縫則是造成井漏的主要原因,針對(duì)鉆遇裂縫的相關(guān)研究有很多。1964年Drummond[1]提出可利用天然裂縫性儲(chǔ)集層的大量鉆井液漏失資料來確定地層巖石孔隙度;1988年 Pouisen[2]基于鉆井流體漏失形態(tài)呈線性并平行于裂縫面、流體漏失服從達(dá)西定理、漏失流體是不可壓縮的和儲(chǔ)集層是無限平行于裂縫面4個(gè)假設(shè)前提推導(dǎo)出了描述水力裂縫中流體漏失的通用公式;1990年N.Morita[3]提出了漏失壓力理論, 分析了漏失壓力影響因素;1992年 Dyke等[4]詳細(xì)論述了鉆井過程中的鉆井液漏失響應(yīng), 對(duì)鉆井液漏失控制給出了合理的建議;2004年Alexandre Lavtov[5]提出了裂縫性地層的漏失模型, 描述了鉆井液在徑向單裂縫中的漏失機(jī)理, 定量描述了鉆井液實(shí)時(shí)漏失曲線;同年,Lavtov[6]等提出假設(shè)鉆井液為冪律流體,裂縫為有限長(zhǎng)的平面圓盤狀,裂縫寬度隨壓力線性變化,建立了單條裂縫的徑向漏失模型;2007年金衍等[7]通過現(xiàn)場(chǎng)漏失井深、工況、發(fā)生率、漏失通道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,構(gòu)建了統(tǒng)計(jì)法計(jì)算漏失壓力的模型;2008年朱亮等[8]將統(tǒng)計(jì)法建立的漏失壓力計(jì)算模型與力學(xué)計(jì)算模型進(jìn)行了比較,證明統(tǒng)計(jì)法要優(yōu)于力學(xué)計(jì)算法。 結(jié)合前人研究,本文提出了一種基于錄井?dāng)?shù)據(jù)的裂縫類型識(shí)別方法,使用某區(qū)塊的實(shí)鉆資料對(duì)該方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行校核。結(jié)果證明裂縫區(qū)分后計(jì)算的漏失壓力的結(jié)果更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,并通過該方法建立了目標(biāo)層的誘導(dǎo)裂縫地層漏失壓力方程,為該區(qū)塊防漏堵漏提供了理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。

        1 基于錄井參數(shù)的裂縫漏失壓力理論分析

        1.1 錄井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算漏失流量

        在鉆井過程中,因?yàn)榇嬖谧匀粷B漏和填充井中的新鉆空間等不確定因素,所以鉆井液的出口流量一直是波動(dòng)的(一般為進(jìn)口流量的20%~30%)。這個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)只能通過對(duì)鉆井液池液面變化的記錄獲得鉆井液在一段時(shí)間內(nèi)的總漏失量,進(jìn)而計(jì)算出漏失流量,往往難以獲得單次井漏過程中鉆井液漏失流量的動(dòng)態(tài)變化,這將直接掩蓋有價(jià)值的漏失流量的變化點(diǎn)與整體變化趨勢(shì)。針對(duì)這一問題,本文提出借助現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與漏失發(fā)生后的錄井參數(shù)對(duì)漏失發(fā)生后漏失流量的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行計(jì)算。

        在正常鉆進(jìn)的前提下,可以認(rèn)為進(jìn)出口流量之比C是定值,井漏發(fā)生后現(xiàn)場(chǎng)工程師通過鉆井液池液面變化來統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的總漏失量QL。因此,通過總漏失量QL和進(jìn)出口流量的比值C即可獲得每個(gè)時(shí)刻的鉆井液漏失量,即漏失流量VL,再繪制相應(yīng)的散點(diǎn)圖,進(jìn)而得出井漏過程每一時(shí)刻的漏失流量。

        進(jìn)出口流量比值C:

        (1)

        式中:C為進(jìn)出口流量比,無量綱;QO為一段時(shí)間內(nèi)出口流量的和,m3;QI為一段時(shí)間內(nèi)入口流量的和,m3;QL為記錄的鉆井液總漏失量,m3。

        某時(shí)刻的鉆井液漏失流量VL:

        VL=CVI-VO

        (2)

        式中:VL為某時(shí)刻的漏失流量,m3/s;VI為入口流量,m3/s;VO為出口流量,m3/s。

        1.2 漏失壓力計(jì)算

        表示鉆井液循環(huán)當(dāng)量密度(Equivalent Circulating Density,簡(jiǎn)稱ECD)計(jì)算模型定義為鉆井液的當(dāng)量靜態(tài)密度(ESD)與鉆井液流動(dòng)造成的環(huán)空壓耗當(dāng)量密度之和。漏失壓力pL和循環(huán)當(dāng)量密度ECD的計(jì)算分別為:

        pL=ECD×g×H

        (3)

        (4)

        式中:ρ為鉆井液密度,g/cm3;ρs為巖屑密度,g/cm3;Ca為環(huán)空巖屑濃度,%;pa為環(huán)空壓耗,MPa;g為重力加速度;H為井深,m。

        其中環(huán)空巖屑濃度計(jì)算式為:

        (5)

        式中:t為鉆速,m/h;d0為鉆桿外徑,cm;d為井眼內(nèi)徑,cm;vc為鉆井液環(huán)空返速,m/s;vs為巖屑沉降速度,m/s。

        當(dāng)流態(tài)為紊流時(shí),井段環(huán)空壓耗[9]為:

        (6)

        式中:L為鉆桿長(zhǎng)度,m;f為摩阻系數(shù),無量綱。

        在公式(6)中的參數(shù)除摩阻系數(shù)f以外均可通過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)資料獲得,而摩阻系數(shù)f采用 Dodge 和 Metzner 推導(dǎo)出的半經(jīng)驗(yàn)公式[10]來計(jì)算:

        (7)

        式中:NRe為紊流的常規(guī)雷諾系數(shù);n為流動(dòng)參數(shù),由公式(8)確定。

        (8)

        通過ECD和漏失井的水力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)便可以求得單次漏失發(fā)生時(shí)的具體時(shí)間點(diǎn)的井底漏失壓力數(shù)據(jù)。

        1.3 裂縫導(dǎo)流能力計(jì)算

        基于單次漏失的錄井?dāng)?shù)據(jù),可以全面分析該裂縫在漏失壓力變化下,鉆井液漏失能力的變化率,即裂縫的導(dǎo)流能力。通過對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的定量分析可以得出該條裂縫對(duì)漏失壓力的敏感性,并指導(dǎo)該井后續(xù)堵漏作業(yè)及同區(qū)塊中相鄰井的鉆井液當(dāng)量密度設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。選取時(shí)刻1和時(shí)刻2,在計(jì)算時(shí)可以認(rèn)為這一次井漏發(fā)生后截取的這一段時(shí)間內(nèi)鉆遇裂縫的地層孔隙壓力po為不變的,則該次井漏裂縫的導(dǎo)流能力可以通過漏失流量與漏失壓力曲線的變化趨勢(shì)來表示,即裂縫導(dǎo)流能力K:

        (9)

        式中:V1為時(shí)刻1的漏失流量,m3/s;V2為時(shí)刻2的漏失流量,m3/s;p1為時(shí)刻1的漏失壓力,MPa;p2為時(shí)刻2的漏失壓力,MPa;po為地層孔隙壓力,MPa。

        將漏失裂縫的導(dǎo)流能力和漏失壓力的關(guān)系進(jìn)行構(gòu)圖,得到了裂縫導(dǎo)流能力與漏失壓力的平面曲線圖,再對(duì)該曲線進(jìn)行微分便得到了該條裂縫在漏失壓力變化下,導(dǎo)流能力的變化。

        2 致漏裂縫類型的識(shí)別

        通過某井井漏時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析,繪制漏失流量和漏失壓力的數(shù)據(jù)平面散點(diǎn)圖,再對(duì)散點(diǎn)圖擬合,然后對(duì)擬合曲線進(jìn)行微分得到裂縫導(dǎo)流能力-漏失壓力曲線圖。對(duì)裂縫導(dǎo)流能力-漏失壓力曲線圖擬合后得到裂縫導(dǎo)流能力和漏失壓力的變化趨勢(shì)圖,再通過裂縫導(dǎo)流能力的變化趨勢(shì)圖對(duì)鉆遇裂縫的性質(zhì)進(jìn)行識(shí)別與分類。

        使用上述模型計(jì)算的某油田現(xiàn)場(chǎng)某井的兩次井漏的裂縫導(dǎo)流能力-漏失壓力曲線圖見圖1、圖2。

        (1)圖1實(shí)例為某井5 571 m處發(fā)生的漏失。從圖1可以看出,隨著漏失壓力的下降,裂縫的導(dǎo)流能力整體變化趨勢(shì)為持續(xù)降低。當(dāng)漏失壓力大于87.6 MPa時(shí)裂縫導(dǎo)流能力為正數(shù),即隨著漏失壓力下降,鉆井液的漏失流量一直在增加。而當(dāng)漏失壓力小于87.6 MPa時(shí)裂縫導(dǎo)流能力變?yōu)樨?fù)數(shù),即隨漏失壓力下降,漏失流量也在持續(xù)下降。針對(duì)該裂縫,其導(dǎo)流能力變化的臨界點(diǎn)為漏失壓力87.6 MPa,并存在達(dá)到臨界點(diǎn)前裂縫隨著漏失壓力下降漏失流量增加,當(dāng)?shù)陀谂R界點(diǎn)時(shí)裂縫又隨漏失壓力下降漏失流量顯著下降的現(xiàn)象??梢哉J(rèn)為發(fā)生這一現(xiàn)象的原因是當(dāng)漏失壓力小于臨界點(diǎn)時(shí),裂縫的閉合開始成為影響裂縫漏失流量的主要因素,從而導(dǎo)致漏失流量下降。我們把這一類型裂縫定義為誘導(dǎo)致漏裂縫。

        (2)圖2實(shí)例為同一口井5 625 m處發(fā)生的漏失。在圖2中,隨著漏失壓力的下降,裂縫的漏液能力變化不顯著,并且整個(gè)漏失過程中也不存在導(dǎo)流能力正負(fù)變化的臨界點(diǎn)??梢哉J(rèn)為漏失壓力變化在整個(gè)漏失過程中對(duì)裂縫的漏失流量不產(chǎn)生主要影響,因此這一類型裂縫可以被定義為自然致漏裂縫。

        圖1 某井5 571 m漏失的導(dǎo)流能力-漏失壓力曲線

        圖2 某井5 625 m漏失的導(dǎo)流能力-漏失壓力曲線

        圖1的擬合曲線為:

        K=-0.96pL2+179.3pL-8 331.17

        圖2的擬合曲線為:

        K=0.25pL2-41.77pL+1 778.05

        3 實(shí)例校驗(yàn)

        對(duì)某油田某區(qū)塊7口井的51次井漏數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見表1。

        基于致漏裂縫類型識(shí)別方法對(duì)51次井漏進(jìn)行區(qū)分,其中31次為誘導(dǎo)致漏裂縫,20次為自然致漏裂縫。在現(xiàn)場(chǎng)防漏堵漏作業(yè)中封堵的主要難題為誘導(dǎo)致漏裂縫。而誘導(dǎo)致漏裂縫的應(yīng)力敏感性較好,極易受到設(shè)置的工藝參數(shù)的影響,因此需要對(duì)致漏類型進(jìn)行區(qū)分。將誘導(dǎo)致漏裂縫類型區(qū)分出來之后,再通過統(tǒng)計(jì)法計(jì)算該區(qū)塊誘導(dǎo)致漏裂縫的漏失壓差與漏失流量的關(guān)系曲線,從而可以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)防漏堵漏作業(yè)。

        依照上文可以得到51組數(shù)據(jù)的全結(jié)果及31次誘導(dǎo)致漏結(jié)果,將兩個(gè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),從而進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證。

        表1 某油田現(xiàn)場(chǎng)7口井漏失裂縫性質(zhì)判斷

        對(duì)7口井所有致漏裂縫的漏失數(shù)據(jù)(51次)進(jìn)行擬合(圖3),擬合得出漏失方程為:

        Δp=0.479 33VL0.598 6

        (10)

        圖3 某油田區(qū)塊51次漏失壓差與漏失流量的關(guān)系

        對(duì)裂縫進(jìn)行分類后只對(duì)誘導(dǎo)致漏裂縫(31次)漏失數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(圖4),得出漏失方程為:

        Δp=0.964 54VL0.341 2

        (11)

        圖4 某油田區(qū)塊31次漏失壓差與漏失流量的關(guān)系

        漏失壓力為孔隙壓力與漏失壓差之和,則潛山地層漏失壓力為:

        pL=po+Δp

        (12)

        裂縫分類前后的漏失壓力計(jì)算結(jié)果分別為:

        pL=po+0.479 33VL0.598 6

        (13)

        pL=po+0.964 54VL0.341 2

        (14)

        選取數(shù)據(jù)樣本中的一口井的一次漏失為例進(jìn)行校驗(yàn),該井在5 820 m處發(fā)生了井漏。漏失發(fā)生時(shí)工況為鉆進(jìn),此時(shí)泵壓為15.7 MPa,泵沖為86沖,鉆井液密度為1.34 g/cm3,漏失流量為54 m3/h。

        結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料由漏失方程公式(10)計(jì)算51次漏失得出的漏失壓差為5.22 MPa,而由漏失方程公式(11)計(jì)算31次一類漏失得到的漏失壓差為3.76 MPa,依據(jù)鉆井工程設(shè)計(jì)方案,該井5 420~7 556 m層段的地層孔隙壓力當(dāng)量密度為1.19~1.22 g/cm3。依據(jù)漏失壓力方程公式(12),計(jì)算出該層段的漏失壓力為73.09~74.8 MPa(51次漏失)和71.63~73.34 MPa(31次漏失)。根據(jù)鉆井工程設(shè)計(jì)的參數(shù),由公式(5)(6)(7)計(jì)算出環(huán)空壓耗為5.15 MPa,鉆井液當(dāng)量密度為1.39 g/cm3,可以計(jì)算出漏失工況鉆進(jìn)時(shí)井底壓力為74.13 MPa。

        由51次漏失數(shù)據(jù)計(jì)算的漏失壓力73.09 MPa<74.13 MPa <74.8 MPa,即鉆進(jìn)時(shí)井底壓力處于預(yù)測(cè)漏失壓力的區(qū)間。而31次漏失數(shù)據(jù)計(jì)算的漏失壓力71.63~73.34 MPa小于井底壓力74.13 MPa,說明鉆進(jìn)時(shí)井底壓力大于預(yù)測(cè)漏失壓力進(jìn)而導(dǎo)致漏失。通過校核,將裂縫類型識(shí)別并區(qū)分再進(jìn)行漏失壓力計(jì)算,計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度更高、更符合現(xiàn)場(chǎng)的工程實(shí)際。

        4 結(jié) 論

        (1)新型統(tǒng)計(jì)法分析誘導(dǎo)致漏裂縫的漏失壓力和舊有的統(tǒng)計(jì)法相比具有更高的準(zhǔn)確性。方法更符合工程實(shí)際,能更好地指導(dǎo)今后的鉆進(jìn)工作及區(qū)塊工藝參數(shù)和水力參數(shù)設(shè)計(jì)。

        (2)在現(xiàn)場(chǎng)和鉆井研究領(lǐng)域,都缺乏結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)鉆進(jìn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的分析研究,從而導(dǎo)致了部分理論研究脫離了工程實(shí)際,不能很好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)工作。后續(xù)研究者可以嘗試建立方法將二者緊密結(jié)合起來。

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